Ha interpretato con successo film drammatici e commedie, produzioni indipendenti e di grandi studios. Candidata quattro volte ai Golden Globe, ha avuto il primo riconoscimento importante nel 1999, nella commedia dei fratelli Farrelly Tutti pazzi per Mary, con un MTV Movie Award come miglior attrice e la definizione di attrice dell’anno dal New York Film Critics Circle.
L’anno seguente è stata candidata ai Golden Globe per Essere John Malkovic di Spike Jonze, che le ha fatto vincere un SAG e le ha portato nomination sempre ai SAG, insieme a tutto il cast, e ai BAFTA. Diaz ha ricevuto una terza candidatura ai Golden Globe, oltre a un SAG e una candidatura agli American Film Institute, con Vanilla Sky di Cameron Crowe, con Tom Cruise. La quarta è arrivata per Gangs of New York di Martin Scorsese, con Leonardo di Caprio.
Diaz ha iniziato la sua carriera nel 1994 con la commedia The Mask di Jim Carrey, seguita da Il matrimonio del mio migliore amico, con Julia Roberts, Dermot Mulroney e Rupert Everett. Nel 2000 ha girato l’action movie di grande successo Charlie’s Angels, con Drew Barrymore e Lucy Liu e nel 2003 il sequel Charlie’s Angels più che mai.
Nel 2001 ha prestato la sua voce alla principessa Fiona nel grande successo Shrek e nei sequel Shrek 2, uno dei film d’animazione di maggiore incasso di tutti i tempi, Shrek 3 e Shrek 4, in uscita nel 2010.
Tra i suoi film ricordiamo poi La cosa più dolce, Le cose che so di lei, con Glenn Close, Holly Hunter e Amy Brenneman, Ogni maledetta domenica di Oliver Stone, con Al Pacino, Dennis Quaid e Jamie Foxx, Il senso dell’amore di Edward Burns, Due mariti per un matrimonio, con Keanu Reeves, Acque profonde, Una vita esagerata di Danny Boyle, Cose molto cattive di Peter Berg, con Christian Slater, Verità apparente, Se fossi lei, con Tony Collette e Shirley MacLaine, e L’amore non va in vacanza di Nancy Meyers, con Kate Winslet, Jude Law e Jack Black.
Recentemente è stata protagonista della commedia di grande successo Notte brava a Las Vegas, con Ashton Kutcher, e presto la vedremo nel thriller di Richard Kelly The Box, con James Marsden e Frank Langella.